地下地铁车站抗震浅析

地下地铁车站抗震浅析

姬仁楠 何锋

中交铁道（武汉）建设科技有限公司 湖北武汉 430056

摘 要: 本文以某地区城市轨道交通地下地铁车站为背景，利用反应位移法对其地震作用下的部分指标进行抗震分析。结果表明，在设防地震和罕遇地震下，车站结构的地震作用响应均能满足规范要求。计算结果已为该车站的抗震设计提供依据，且分析方法可为同类型地下站提供参考。

关键词: 地下地铁车站；反应位移法；设防地震；罕遇地震

1·工程概况

某轨道交通工程地铁车站为地下二层岛式站台车站，站台宽度12m。车站外包总长218m，标准段宽21.7m，高13.24m，结构标准段采用地下两层双柱双三跨钢筋混凝土框架箱型结构，地下一层为站厅层，站台层布置在地下二层。车站顶板覆土3m左右，底板埋深约16.44~18.32m。本工程抗震设防分类为乙类，抗震设防烈度为6度。场地类别为Ⅲ类。地震动峰值加速度为0.05g，场地地震动峰值加速度调整系数为1.3，故本场区基本地震动峰值加速度αmax为0.065g，场地基本地震加速度反应谱特征周期为0.45s。框架抗震等级为二级。

图1.1 车站断面布置图

2·抗震设防目标

结合《地铁设计规范》（GB50157-2013）及《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909-2014)中对不同类型地铁结构抗震的相关设防目标的要求，本工程抗震设防目标设定如下：

1）Ⅰ级目标：结构在重现期为100年的地震作用下不破坏，完全保证其正常使用功能，结构处于弹性工作状态，完全不影响运营及行车安全。（50年设计基准期超越概率40%，多遇地震）

2）Ⅱ级目标：结构在重现期为475年的地震作用下，不破坏或轻微破坏，应能够保持其正常使用功能；结构处于弹性工作阶段，不应因结构的变形影响正常运营，不因结构变形导致轨道的过大变形而影响行车安全。（50年设计基准期超越概率10%，设防地震）

3）Ⅲ级目标：结构在重现期2475年的地震作用下可能破坏，经修补，短期内应能恢复其正常功能，结构局部进入弹塑性工作阶段。（50年基准期超越概率2%，罕遇地震）

3·抗震分析方法

3.1 反应位移法的概述

地震作用计算常用的方法有地震系数法、反应位移法、时程分析法等，综合考虑计算精确度和计算方法的易用性，本工程抗震分析选用反应位移法。该方法认为地下结构在地震时的反应主要取决于周围土层的变形。将土层在地震时产生的变形通过地基弹簧以静荷载的形式作用在结构上，以此计算结构反应。

采用反应位移法进行地下结构横截面的抗震计算时，需考虑土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力3种地震作用。地下结构的竖向地震动作用分析，则根据相关规范，结合横向地震分析结果，引入柱的轴力修正系数概念，重点对车站结构框架柱进行分析验算。

3.2 反应位移法的计算

地铁车站的纵向尺寸比横断面尺寸大得多，因此可将实际情况的三维模型简化为二维平面模型进行分析，结构采用梁单元进行建模，如图3.4-3所示。

图3-1地下结构反应位移法抗震计算简图

（1）土层位移引起的作用于结构的地震力计算

土层位移引起的作用于结构的地震力，计算中转化为施加于侧墙节点处的等效集中力，各节点处的等效集中力 按下式计算：

式中： ——弹簧刚度系数， ， ——地层基床系数； ——拟定弹簧间距； ——计算断面沿车站纵向的计算长度。 ——土层位移，由一维土层反应分析得到。

（2）顶板、底板及侧墙处土层剪力

1）顶板、底板处土层剪力( ， ）

顶板、底板处土层剪力由一维土层反应分析得到。

2）侧墙剪力（ ）

侧墙剪力可按以下公式计算：

（3）结构惯性力：

式中： ——结构单元质量， ——地下结构顶底板位置处自由土层发生最大相对位移时刻，自由土层对应于结构单元位置处的加速度，近似取为地表水平峰值加速度，根据本工程地震安全评估报告，重现期475年地震作用下取0.065g，在重现期2475年地震作用下取0.156g。

3.3 主要荷载

地震工况荷载组合包括：永久荷载、可变荷载和地震作用。

（1）永久荷载：结构自重、覆土重、浮力及静水压力、地基反力等。

当结构自重及土层竖向压力综合值大于底板水浮力时，地基反力起控制因素，此时通过只压单元替代地基弹簧以模拟地基反力。

（2）可变荷载：地面超载、地面超载引起的侧向超载、地铁车辆荷载及其动力作用、人群荷载、设备荷载等。设备区一般可按8kN/m2进行计算，但对重型设备依据设备的实际重量、动力影响、安装运输途径等确定其大小与范围，进行结构计算。

（3）地震作用

反应位移法进行地下结构地震反应计算时，考虑了土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力，各种力作用前文已详述，本处不再重复。

不同荷载根据规范相关要求进行工况组合。

4·计算结果

在车站主体结构静力计算基础上，对车站利用反应反应位移法进行土体位移及剪力、地震作用响应的计算分析，计算结果如下。

4.1 车站土层位移及剪力计算结果

4.2 反应位移法主体结构地震作用组合计算结果

结果表明：在475年一遇的地震动作用下，车站主体结构标准段的变形计算结果见图5.2.5-4，最大弹

性层间位移角为1/2457，满足规范要求限值（1/550)。在重现期2475年的地震作用下，车站标准段横断面变形值如图5.2.4-5所示，最大弹性层间位移角限值1/1305,满足规范要求限值（1/250)。

4.3 构件截面抗震验算结果

5·结论

（1）本工程车站结构在重现期为475年的地震作用下，结构最大层间位移角限制均小于1/550，可认为结构处于弹性工作阶段，满足Ⅱ级目标。

（2）本工程车站结构在重现期2475年的地震作用下，结构最大层间位移角限制均小于1/250，可认为结构处于弹塑性工作阶段，满足Ⅲ级目标。

（3）除车站框架柱外，各构件正截面承载力配筋均由标准组合作用下的裂缝计算控制，抗震工况不起控制作用；各站构件的拟定截面均满足地震工况下的最小受剪截面要求，但部分车站侧墙-底板节点部位，侧墙需配置抗剪钢筋。

（4）车站结构的抗震除需满足相关计算要求外，仍需满足规范对对应结构的相关抗震构造措施的要求。

6·参考文献

[1] 刘晶波, 李彬.地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题[J] .土木工程学报, 2006,39（6）:106-110.

[2] 宋林，孟昭博.双层岛式地铁车站结构地震反应分析[J].世界地震工程，2010,26（2）:187-192.

[3] GB 50157-2013 地铁设计规范[ S].

[4] GB 50909-2014 城市轨道交通结构抗震设计规范[ S].